張金峰,張麗娟,李文亮,鄭 紅

(1.哈爾濱師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150025;2.黑龍江省氣候中心,黑龍江哈爾濱 150080)

哈爾濱市高空氣候變暖變化分析＊

張金峰1,張麗娟1,李文亮1,鄭 紅2

(1.哈爾濱師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150025;2.黑龍江省氣候中心,黑龍江哈爾濱 150080)

依據(jù)哈爾濱市1970-2005年的探空資料,采用線性模擬、相關(guān)和回歸等分析方法,對哈爾濱市35年來地面及高空氣候的變化進行分析和預(yù)測。研究結(jié)果認(rèn)為:①哈爾濱市對流層中下層、平流層下層氣候變化明顯,對流層中下層氣候變暖變濕,且對流層下層經(jīng)向風(fēng)速變小,年平均風(fēng)速也變小,其中值得關(guān)注的是溫度升高可延伸到400 hPa,比濕增加也從地面延伸到400 hPa;②建立了二氧化碳與水汽之間的關(guān)系方程,二氧化碳增加,水汽含量也隨之增加,二氧化碳每增加一個單位,水汽就增加0.011 g/kg;③各層次溫度與比濕存在線性關(guān)系,水汽對各層次溫度所起到的增加作用,隨高度的增加增溫效果越明顯。

高空氣候;變暖趨勢;哈爾濱

伴隨著對氣候變暖研究的深入,對高空氣候的研究也越來越受到關(guān)注,尤其是對高空溫度變化的研究,國內(nèi)外已出現(xiàn)了一些研究成果。由于使用不同的資料,其空間樣本和時間樣本的差別,對高空溫度變化趨勢分析結(jié)論不盡相同。Melissa等[1]用LKS探空資料發(fā)現(xiàn)地面到300 hPa變暖,以上變冷,而用HadRT資料發(fā)現(xiàn)高空溫度都在變冷。Oorl等[2]利用全球1958-1989年800多個探空站資料,發(fā)現(xiàn)平流層溫度呈下降趨勢。國內(nèi)這方面的研究很少,米季德等[3]用北京單站1961-1994年自地面至高空20 hPa的溫度資料,發(fā)現(xiàn)對流層下層溫度顯著上升,對流層上層及平流層呈下降趨勢。而王紹武等[4]根據(jù)等壓面之間的厚度建立了1958-1993年中國上空對流層下半部及平流層的溫度序列,發(fā)現(xiàn)溫度均呈下降趨勢。薛德強等[5]利用中國28個高空探空站1961-2000年間地面至高空10 hPa的溫度資料進行了統(tǒng)計分析,結(jié)果表明年平均變化趨勢自地面至700 hPa層,絕大部分地區(qū)溫度上升,尤其是地面增溫最為顯著,而西南地區(qū)有降溫趨勢;對流層上層、平流層的溫度在降低,尤其是50 hPa降溫最為明顯。此外馬瑞平、陳芳、郭艷君等也對高空溫度變化進行了研究[6-8]。

本研究利用哈爾濱市1970-2005年的高空探測資料,對哈爾濱市高空氣候多要素變化進行了分析,探討了溫度與二氧化碳和水汽的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 資料來源

采用哈爾濱市探空站1971-2005年兩時次(07時、19時)全球交換的月平均探測記錄,選取資料較全的10個層次,分別是地面、850hPa、700 hPa、500 hPa、400 hPa、300 hPa、200 hPa、100 hPa、50 hPa和30 hPa,包括氣溫、風(fēng)速、氣壓、比濕、經(jīng)向風(fēng)速和緯向風(fēng)速。資料由黑龍江省氣象臺提供。

1.2 分析方法

月平均要素計算方法,采用兩時次(07時、19時)氣象要素的月平均資料再平均后,作為月平均要素。采用線性擬合方法、相關(guān)和回歸方法,分析各層及各季氣象要素變化趨勢及關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 哈爾濱市高空氣象要素年均值變化趨勢

2.1.1 各層年平均氣溫變化趨勢

對哈爾濱市地面到高空年平均氣溫的線性變化趨勢分析認(rèn)為,不同層次上平均氣溫的變化趨勢不同(圖1、圖2為對流層和平流層的代表層次)。從地面到300 hPa年平均氣溫呈上升趨勢,從200 hPa開始,氣溫呈下降趨勢。以0.05概率水平(R2=0.130 3)檢驗,地面到400 hPa、100～50 hPa年平均氣溫上升達到顯著水平。即對流層中下層和平流層下層升溫明顯。地面氣溫線性趨勢系數(shù)為0.764℃/10a。與全國已有研究相比,哈爾濱市地面增溫趨勢是最明顯的,線性趨勢最大。500～400 hPa哈爾濱增溫顯著,而我國的西北、華東是微弱增溫,其它地區(qū)是微弱降溫[5]。說明我國高緯度地區(qū)對流層中下層增溫明顯。

圖1 地面年平均溫度變化

圖2 100 hPa年平均溫度變化

2.1.2 各層年平均風(fēng)速變化趨勢

哈爾濱市地面年平均風(fēng)速呈下降趨勢(圖3),且達到極顯著水平,地面風(fēng)速的線性趨勢系數(shù)為-0.538 m/(s·10a)。850～20 hPa年平均風(fēng)速均呈上升趨勢,但未達到顯著水平。說明哈爾濱市地面年平均風(fēng)速下降明顯,100 hPa平均風(fēng)速上升達到顯著水平,其它層次年平均風(fēng)速變化不明顯。

圖3 地面年平均風(fēng)速變化

2.1.3 各層年平均比濕變化趨勢

哈爾濱市年平均比濕變化從地面(圖4)到300 hPa(其它層次圖略)均呈上升趨勢,地面到400 hPa平均比濕上升均達到顯著水平。說明哈爾濱市對流層中下層年平均比濕上升趨勢明顯。各層次線性趨勢系數(shù)以地面平均比濕上升速率最快,為0.093g/10a,依次是850hPa、700hPa、500 hPa、400 hPa,比濕隨高度增加趨勢變小。

圖4 地面年平均比濕變化

2.1.4 各層年平均緯向風(fēng)速變化趨勢

哈爾濱市從地面(圖5)到20 hPa高空年平均緯向風(fēng)均為西風(fēng)。其中負(fù)風(fēng)速表示西風(fēng),正風(fēng)速表示東風(fēng)?？梢钥闯龉枮I市從地面到20 hPa高空年平均緯向風(fēng)均為西風(fēng)。地面到850 hPa平均西風(fēng)呈減少趨勢,700 hPa以上平均西風(fēng)呈增大趨勢。只有100 hPa平均西風(fēng)增大顯著,其它層次西風(fēng)減少或增大趨勢不顯著。說明哈爾濱市平均緯向風(fēng)速在不同層次上雖然具有減少或增大趨勢,但變化不明顯。

圖5 地面年平均緯向風(fēng)速變化

2.1.5 各層年平均經(jīng)向風(fēng)速變化趨勢

哈爾濱市地面為北風(fēng)(圖6),平流層從50 hPa以上也為北風(fēng),850 hPa到100 hPa各層均為南風(fēng)。地面北風(fēng)分量呈減少趨勢,850 hPa、500 hPa、200 hPa、100 hPa平均南風(fēng)呈減少趨勢,700 hPa和400 hPa平均西風(fēng)呈增大趨勢。地面北風(fēng)風(fēng)速減小達到極顯著水平,其它層次南風(fēng)減少或增大趨勢不顯著。說明哈爾濱市平均經(jīng)向風(fēng)速只有地面北風(fēng)風(fēng)速減少明顯,其它層次雖然具有減少或增大趨勢,但變化不明顯。

圖6 地面年平均經(jīng)向風(fēng)速變化

2.2 哈爾濱市高空氣候變化及原因分析

2.2.1 哈爾濱市高空氣候變化

如上分析,哈爾濱市近地面年平均氣溫、氣壓、濕度35年來呈上升顯著,年平均風(fēng)速呈下降趨勢顯著,平均西風(fēng)風(fēng)速變化不明顯,平均北風(fēng)風(fēng)速下降趨勢顯著,因此近地面氣候變暖變濕;對流層中層平均氣溫、比濕、氣壓上升顯著,年平均風(fēng)速、年平均緯向風(fēng)速、經(jīng)向風(fēng)速變化不明顯,因此哈爾濱市對流層中層氣候變暖變濕,風(fēng)速變化不大;對流層上層年平均氣溫、風(fēng)速、比濕、緯向風(fēng)速、經(jīng)向風(fēng)速變化均不明顯,說明對流層上層氣候變化不明顯;平流層下層溫度下降,西風(fēng)風(fēng)速明顯增大,其它要素變化不明顯。

2.2.2 哈爾濱市高空氣候變化原因分析

2.2.2.1 大氣環(huán)流的變化

HadRT得到赤道地區(qū)對流層下部和中部溫度變化趨勢分別為-0.132℃/10a和-0.013 2℃/ 10a,說明低緯地區(qū)溫度在下降[9]。從平均情況而言,低緯地區(qū)溫度下降,高緯地區(qū)溫度升高,會影響經(jīng)圈環(huán)流的強度,直接表現(xiàn)為高緯度地表經(jīng)向風(fēng)速的減弱。導(dǎo)致高緯溫度升高,尤其是冬季溫度升高。這一結(jié)論已經(jīng)被證實。

2.2.2.2 風(fēng)速、二氧化碳和水汽的影響

哈爾濱市地面年平均溫度升高基于兩個直接的原因,一是經(jīng)向風(fēng)速在變小;二是比濕即大氣濕度在增加。它們之間的相關(guān)系數(shù)如表1所示。

表1 溫度、風(fēng)速、比濕之間的相關(guān)系數(shù)

從表1中可看出,年平均溫度與年平均經(jīng)向風(fēng)速呈負(fù)相關(guān),與比濕呈正相關(guān)。年平均溫度與年平均比濕相關(guān)更密切。為了進一步分析溫度與二氧化碳和比濕之間的關(guān)系,計算了三者之間年均值及年均增量之間的相關(guān)系數(shù)(表2)。

表2 溫度與二氧化碳和比濕之間的相關(guān)系數(shù)

從表2中可看出,就地面而言,地面年平均溫度年平均二氧化碳體積分?jǐn)?shù)呈極顯著相關(guān),與年平均比濕呈顯著相關(guān);地面年平均溫度增量與年平均二氧化碳體積分?jǐn)?shù)增量呈極顯著相關(guān),與年平均比濕增量呈顯著相關(guān)。說明溫度變化與二氧化碳和水汽有關(guān),但與二氧化碳體積分?jǐn)?shù)更為密切。

2.3 哈爾濱市高空氣候預(yù)測

2.3.1 二氧化碳與比濕之間的關(guān)系方程

由于水汽本身就是一種溫室氣體,濕度的增加又加強了二氧化碳全球變暖效應(yīng)[10]。建立二氧化碳與比濕之間的關(guān)系方程:

式中:Δq為比濕變化值,ΔCO2為二氧化碳變化值。

方程(1)的Sig=0.012,F=7.129,方程通過了0.05水平檢驗。依據(jù)方程(1)可得出,二氧化碳每增加一個單位,水汽就增加0.011 g/kg,即水汽中有11%是二氧化碳增加而引起的水汽的增加[11]。因為據(jù)此可預(yù)測未來二氧化碳排放模式下的哈爾濱地面溫度的變化趨勢。

2.3.2 哈爾濱市高空溫度預(yù)測

本研究建立了各層溫度與比濕的關(guān)系方程:

可見,只有850 hPa方程沒有通過0.05水平的檢驗,其它層次均通過0.05水平的檢驗,說明各層次溫度與比濕的線性關(guān)系成立,同時從方程中可看出,水汽對各層次溫度所起到的增加作用,隨高度的增加增溫效果越明顯。因此可根據(jù)比濕推測各層次的溫度。

依據(jù)方程(1)也適應(yīng)高空,當(dāng)二氧化碳排放減少到當(dāng)前體積分?jǐn)?shù)的75%,各層次水汽會減少0.002 75 g/kg,700hPa、500hPa、400hPa、300 hPa的溫度分別降低0.01℃/10a、0.02℃/10a、0.03℃/10a、0.10℃/10a,即越到高空降低越多;如果二氧化碳排放減少到50%,各層次水汽會減少0.005 5 g/kg,700 hPa、500 hPa、400 hPa、300 hPa的溫度分別降低0.02℃/10a、0.04℃/10a、0.06℃/ 10a、0.19℃/10a;如果二氧化碳排放減少到25%,各層次水汽會減少0.008 25g/kg,700 hPa、500 hPa、400 hPa、300 hPa的溫度分別降低0.03℃/ 10a、0.06℃/10a、0.10℃/10a、0.29℃/10a。

3 結(jié)論與討論

依據(jù)哈爾濱市高空探測資料,對哈爾濱市高空氣象要素的變化及高空氣候變化進行了研究,尤其針對二氧化碳和水汽對高空氣候的影響也進行了研究,此類的研究報道還較少。主要結(jié)論如下:

(1)哈爾濱市對流層中下層、平流層下層氣候變化明顯;對流層中下層氣候變暖變濕;且對流層下層經(jīng)向風(fēng)速變小,年平均風(fēng)速也變小。平流層下層溫度下降,西風(fēng)風(fēng)速明顯增大,其它要素變化不明顯。其中值得關(guān)注的是溫度升高可延伸到400 hPa,比濕增加也從地面延伸到400 hPa。

(2)建立了二氧化碳與水汽之間關(guān)系方程,二氧化碳增加,水汽含量也隨之增加。二氧化碳每增加一個單位,水汽就增加0.011 g/kg。

(3)各層次溫度與比濕存在線性關(guān)系,水汽對各層次溫度所起到的增加作用,隨高度的增加增溫效果越明顯。

由于本研究只采用哈爾濱一個探空站的資料,因此結(jié)論受到局限,有待于利用更多的探空資料去檢驗和擴展。

[1] Melissa F,D J Seidel.Causes of differing temperature trends in radiosonde upper air data sets[J].JGeophys Res,2005,110: 7101-7115.

[2] OortA H,Huanzhu Liu.Upper-air temperature trends over the globe,1958-1989[J].J Climate,1993(6):292-307.

[3] 米季德,崔繼良,曹鴻興.北京高空溫度近30年代變化特征[J].氣象學(xué)報,1999,57(2):236-241.

[4] 王紹武,朱錦紅,裘偉光.北半球及中國上空自由大氣溫度的變化[C]//氣候變化規(guī)律及其數(shù)值模擬研究論文.北京:氣象出版社,1996:12-16.

[5] 薛德強,談?wù)苊?龔佃利.近40年中國高空溫度變化的初步分析[J].高原氣象,2007,26(1):141-149.

[6] 馬瑞平,徐寄遙.太陽活動對平流層溫度的影響[J].中國科學(xué)(A輯),2000,30(S):80-83.

[7] 陳芳,馬英芳,金惠瑛.高空溫度、高度變化特征及其與地面氣溫的相關(guān)分析[J].氣象科技,2005,33(2):163-166.

[8] 郭艷君.高空大氣溫度變化趨勢不確定性的研究進展[J].地球科學(xué)進展,2008,33(1):23-28.

[9] 翟盤茂,郭艷君.高空大氣溫度變化研究[J].氣象科技, 2006,2(5):228-231.

[10]DesslerA E,Zang Z,Yang P.Water-vapor climate feedback inferred from climate fluctuations[J].Geophysical Research Letters,2008,35(10):1029.

[11]蓋均鎰.試驗統(tǒng)計方法[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,1999.

Analysis on Changes of Upper-air Cl imateWarm ing in Harb in

Zhang Jinfeng1,Zhang Lijuan1,LiWenliang1and Zheng Hong2

(1.College of Geographical Sciences,Harbin N or m al University,Harbin150025,China; 2.Heilongjiang Clim ate Center,Harbin150080,China)

According to sounding data(1970～2005)in Harbin,the ground and upper-air cl imate changes of the city in 35 years(1970～2005)are analyzed and predicted by using the methods of linear simulation, correlation and regression.The results are as follows:(1)Climate change is obvious in the middle and lower troposphere and the lower stratosphere.It becomeswar mer and wetter in the middle and lower troposphere and the meridionalwind becomes weaker in the lower troposphere.The annual mean wind speed also decreases.The temperature increase can extend to 400 hPa,and specific humidity extends to 400 hPa.(2)Quantitative equation between the carbon dioxide and water vapor is established.Water vapor increases with the increase of carbon dioxide.The carbon dioxide increase one unit as the water vapor increase 0.011 g/kg.(3)There exist a linear relation between temperatures of different levels and specific humidity.The water vapor is of a warming effectwith increase of altitude.

upper-air climate;warming trend;Harbin

P463.3

A

1000-811X(2010)02-0041-04

2009-10-14

黑龍江省科技攻關(guān)項目(GC06C10302 S8);哈爾濱市科技創(chuàng)新項目(2007RFXXS029)

張金峰(1982-),男,黑龍江海倫人,碩士研究生,主要從事生態(tài)系統(tǒng)模擬研究.E-mail:hanlinger818@sina.com

張麗娟(1965-),女,河北唐山人,教授,博士,主要從事氣象災(zāi)害系統(tǒng)模擬研究.E-mail:zlj19650205@163.com